高速冷打热力耦合作用下成形机理研究-毕业论文.doc
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1、分类号 密级 UDC 编号 硕 士 学 位 论 文高速冷打热力耦合作用下成形机理研究学 位 申 请 人: 朱文娟 指 导 教 师: 崔凤奎 教授 学 科 专 业: 机械制造及其自动化 学 位 类 别: 工学 2013年5月摘 要论文题目: 高速冷打热力耦合作用下成形机理研究 专 业: 机械制造及其自动化 研 究 生: 朱文娟 指导教师: 崔凤奎 摘要高速冷打成形关键理论研究是冷打成形技术发展的迫切需求。高速冷打成形是一个多因素耦合作用下的复杂成形过程,目前对冷打成形进行的研究都是基于纯力学和材料学角度,没有涉及冷打过程中产生的热效应,而热效应引起的工件内部不均匀的温度场将影响工件金属的流动性,
2、进而对成形零件质量和性能产生影响。为此,本文采用理论分析、数值模拟和试验研究相结合的方法,对高速冷打热力耦合作用下成形机理进行系统的研究,以提高其成形零件的使用性能和表面质量,主要研究内容和结果如下:分析了高速冷打热力耦合形成过程,基于连续介质力学理论建立了高速冷打成形过程中工件塑性耗散的热传导能量方程式,给出了方程式的求解方法。得出冷打成形过程中产生的热量主要是由于工件不可逆塑性变形功的热耗散和工件、滚打轮截面摩擦生热;高速冷打成形过程中产生的热耗散能依赖于工件材料的塑性变形本构方程。进行了40Cr调质钢常温条件下、应变速率为0.004s-1的静态实验和温度为204000C、应变速率为632
3、5160s-1的动态实验,分析了温度和应变速率对流动应力的影响及动态实验中产生的绝热温升。得出40Cr调质钢具有较强的应变速率和温度敏感性;确立了描述40Cr调质钢流动应力的本构方程,拟合得到了本构方程中的相关参数;分析了40Cr调质钢流动应力本构方程与实验数据的相关性,得出所确立的本构方程可以较好地描述40Cr调质钢在不同温度和应变速率下的流动应力。建立了高速冷打热力耦合有限元分析模型,实现了冷打成形过程的可视化,分析了工件几何构形的变化、等效应力场、等效应变场和温度场的分布情况。得出工件表面两侧的突起、中间凹陷是由金属的体积不可压缩性和金属流动符合最小阻力定律共同完成的;工件的温度分布和等
4、效塑性应变分布是不均匀的:剧烈变形区的等效塑性应变高,温升高,难变形区的等效塑性应变低,温升低。对比分析了考虑热效应和不考虑热效应等效应力、等效应变和接触力的分布情况。得出高速冷打成形过程中热力耦合作用的实质是能量的转化,揭示了高速冷打成形过程中的热力耦合形成机制。分析了本构方程、滚打轮形状、工件形状、摩擦系数和滚打轮转速对冷打成形过程中等效应力场、变形场、温度场、接触力及成形尺寸的影响规律。得出材料参数是影响冷打成形件的重要因素,存在一个最佳转速,使成形件质量和性能最优,为工艺参数的优化、成形工件质量预测与控制提供了依据。关 键 词:高速冷打,热力耦合,本构方程,有限元论文类型:应用基础研究
5、 本文的研究得到了国家自然基金项目(项目编号:51075124、50975229)的资助。I摘要Subject: Study on forming mechanism coupled thermo-mechanics of cold rolling Specialty: Machine Manufacture and Automation Name: Zhu Wenjuan Supervisor: Cui Fengkui ABSTRACTKey theoretical study of high-speed cold rolling is of urgent need in the devel
6、opment of high-speed cold rolling forming technology. High-speed cold rolling is a complex plastic forming process under coupled effects of multi-factors. Current research is based on pure mechanics and material angle; thermal effects are not involved in the cold rolling forming process. While non-u
7、niform temperature caused by thermal effects affects metal flow of the work piece, thus the quality and performance of forming part is affected. Therefore, in this paper, in order to improve the quality and performance of forming parts, a systematic investigation on forming mechanism coupled thermo-
8、mechanics of cold rolling was carried out using numerical simulation, combined with the analytical and experimental methods. A brief introduction to the project and its main achievements are as follows:High-speed cold rolling forming process under thermal-mechanical coupling was analyzed. Based on t
9、he theory of continuum mechanics, the energy equation of heat conduction of plastic dissipation in forming process was established. Solving method of the equation was given. The heat produced in the forming process mainly due to the irreversible heat dissipation of plastic deformation and friction h
10、eat caused by the work piece and roller section. The heat dissipation of the process depends on the plastic deformation constitutive equation of work piece material.The thermo-mechanical responses of 40Cr under uniaxial compression loading were presented. The strain rates include quasi-static (0.004
11、s-1) at temperature of 200C and dynamic loading regime (6325160s-1) at temperature regime (204000C). The influence of temperature and strain rate on flow stress and the adiabatic temperature rise in dynamic experiment were analyzed. Significant strain rate and temperature sensitivity were measured.
12、Constitutive model was established to predict the mechanical behavior of the 40Cr over wide ranges of strain rate and temperature. Parameters of constitutive model were obtained. Correlations with the established model were shown very close to the observed responses. The established model can prefer
13、ably describe the effect of strain hardening, strain rate and temperature of 40Cr quenched and tempered steel.High-speed cold rolling coupled thermo-mechanical finite element analysis model was established, realized the cold rolling forming process of visualization. Analysis the work piece geometry
14、configuration changes, the equivalent stress field, the distribution of equivalent strain field and temperature field. It is found that the protruding of the work piece on both side and the middle sag is due to the volume incompressibility of metal and metal flow conforms to the law of least resista
15、nce. Temperature and equivalent plastic strain distribution of work piece is uneven. Temperature rise of severe equivalent plastic strain area is high while temperature rise of difficult equivalent plastic strain zone is low. Comparative analysis of equivalent stress, equivalent strain and contact f
16、orce considered thermal effects and not considered thermal effects were made. It is found that the substance of thermal-mechanical coupling in high-speed cold rolling forming process is the transformation of energy. Forming mechanism coupled thermo-mechanics of cold rolling in forming process is rev
17、ealed.Analysis the influence of constitutive equation, the shape of the roller and work piece, the friction coefficient and the speed of the rolling wheel to the equivalent stress field, strain field, temperature field, contact force and forming size of the cold rolling forming process. The material
18、 parameters play an important role in affecting the forming parts of cold rolling. There is a most appropriate rolling speed making both quality and performance optimization. It provides basis for the optimization of process parameters, the prediction and control of the quality of the forming parts.
19、KEY WORDS: high-speed cold rolling, thermal-mechanical coupling, constitutive equation, finite elementDissertation Type: applied fundamental researchThe study is supported by Natural Science Foundation of China (No: 51075124, 50975229)VII目录目录第1章 绪论11.1 引言11.2 高速冷打成形原理及特点11.2.1 原理分析11.2.2 高速冷打成形过程特点2
20、1.3 高速冷打成形技术研究现状及存在的问题21.4 塑性成形中热力耦合研究现状51.5 课题研究意义61.6 课题主要研究内容71.6.1 课题来源及研究内容71.6.2 论文结构7第2章 高速冷打成形过程中热力耦合作用形成机制理论分析92.1 高速冷打热力耦合形成过程92.2 高速冷打热力耦合形成机制理论建模92.3 模型的求解132.3.1 冷打变形场的求解142.3.2 冷打温度场的求解142.3.3 变形场和温度场之间的相互影响152.4 本章小结16第3章 工件材料静动态力学性能实验分析与本构方程173.1 40Cr静态压缩实验173.1.1 实验材料及方案173.1.2 实验条件
21、173.1.3 实验过程183.2 结果与分析193.2.1 应变速率敏感性分析193.2.2 温度敏感性分析203.3 40Cr调质钢动态塑性本构方程213.3.1 本构方程的确立213.3.2 本构方程参数的确定233.3.3 本构方程与实验数据相关性分析253.4 本章小结27第4章 高速冷打成形过程热力耦合有限元模拟及分析294.1 冷打成形有限元模拟流程及方案294.1.1 有限元模拟流程294.1.2 有限元模拟方案304.2 冷打成形热力耦合有限元建模关键技术处理314.2.1 模拟假设314.2.2 几何模型324.2.3 材料模型324.2.4 单元的选择和网格划分334.2
22、.5 动态加载和接触边界334.2.6 热边界条件344.3 热力耦合模拟结果与分析344.3.1 工件几何构形变化过程分析344.3.2 等效应力分析354.3.3 等效应变分析374.3.4 温度分析394.4 热力耦合作用的分析424.4.1 等效应力对比分析424.4.2 等效应变对比分析454.4.3 接触力对比分析474.5 本章小结48第5章 高速冷打热力耦合作用下成形机理分析495.1 仿真结果金属流动规律分析495.2 成形尺寸分析515.3 成形接触力分析525.4 本构方程对冷打成形模拟的影响分析525.4.1 本构方程对等效应力的影响分析525.4.2 本构方程对变形场
23、的影响分析535.4.3 本构方程对温度场的影响分析555.5 高速冷打热力耦合成形规律分析565.5.1 滚打轮圆角半径对冷打热力耦合成形的影响规律分析565.5.2 工件形状对冷打热力耦合成形的影响规律分析595.5.3 摩擦系数对冷打热力耦合成形的影响规律分析605.5.4 滚打轮转速对冷打热力耦合成形的影响规律分析635.6 本章小结67第6章 结论696.1 研究结论696.2 进一步研究的问题70参考文献71致谢77攻读硕士学位期间的研究成果78第1章 绪论第1章 绪论1.1 引言塑性成形技术是利用金属材料的可塑性,使金属在力场或同时辅以温度场的作用下实现体积转移,有效地改善和提高
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